某地铁列车制动系统建模与仿真研究.docx

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某地铁列车制动系统建模与仿真研究

本文介绍了研究某地铁列车制动系统的在各工况下的运行特性，依据其工作原理和实际结构尺寸，基于AMESim仿真软件根据空电转换阀、紧急阀、空重车阀中继阀、单元制动器、制动管路和风源系统等的各项参数搭建制动系统模型，以典型工况为例进行仿真分析，仿真结果验证了该制动系统模型的正确性和可行性，为系统结构参数优化和控制系统设计奠定了基础。

0引言

   某地铁列车制动系统是一种微机控制直通式电空制动系统，其制动控制系统是实现制动力的准确、稳定控制、实现列车精确停车、完成各种制动控制功能的关键部件。

为了验证制动系统的各项指标是否满足要求，基于AMESim仿真软件建立制动系统模型，通过仿真分析，包括部件的动态响应、灵敏度、制动力等，从而验证系统的各项指标。

这可以减少对试验的依赖，节约成本，缩短产品开发周期，并对新产品的设计开发、既有产品的系统故障诊断和性能优化具有指导作用。

1系统建模

    1.1仿真原理

   采用AMESim，基于基本元素的建模理念，将制动系统中制动控制单元、单元制动器等复杂的气动部件分解为各种不同的基本结构单元，如节流边、活塞、容腔、质量块等，再按照一定的逻辑关系将对应的模块组合在一起，即可构建响应的部件子模型，将以各子模型综合起来，即可得到完整的制动系统仿真模型。

选取典型工况，如常用制动和缓解、紧急制动和缓解等进行分析，研究系统的运行特征，如控制灵敏度、制动缸压力精确度、制动缸输出力等，以对其验证。

    1.2制动系统组成及功能

   该制动系统主要由制动指令发生及传输系统、制动控制系统（微机控制单元EBCU、制动控制单元、停放控制单元）、防滑控制系统、单元制动器、风源系统、紧急制动阀、风缸、制动管路、塞门和软管等组成，如图1所示,。

制动方式包括常用制动、快速制动、紧急制动、停放制动和保持制动，其中，常用制动、紧急制动和停放制动完全单独控制。

常用制动和快速制动时，优先采用动力制动，当动力制动力不能满足制动力需求时，空气制动能够自动补偿。

紧急制动为纯空气制动，制动系统完成空气制动作用。

   制动控制单元（BCU）是制动控制系统的主要部件，它是由空电转换阀、紧急阀、空重车阀、中继阀和其它相关功能附件组成。

制动控制单元和EBCU组成闭环控制，根据EBCU的控制，产生期望的制动缸压力。

   常用制动时，制动控制单元根据微机控制单元EBCU传来的电信号，通过空电转换阀将来自制动储风缸的空气压力转换成与电信号相对应的预控制压力，然后预控制压力经紧急阀到达空重车调整阀，受到空重车调整阀的检测和限制，从空重车调整阀出来的预控制压力到中继阀，打开中继阀中制动储风缸与制动缸的通路，最后使制动缸获得符合制动力要求的空气压力。

紧急制动时，预控制压力不受空电转换阀控制，来自制动储风缸的压缩空气直接经紧急阀到达空重车调整阀，预控制压力只受空重车调整阀控制，使之与空气弹簧的压力即载荷情况相适合。

   同样，微机控制单元EBCU发出缓解指令时，制动控制单元中空电转换阀的排气电磁阀励磁而打开，充气电磁阀不励磁，预控制压力经排气电磁阀排大气，中继阀膜板移动，切断制动储风缸与制动缸通路，打开制动缸与大气的通路，制动缸排大气。

图1制动系统原理图

    1.3模型参数

   根据仿真原理，按照制动控制单元、单元制动器实际结构尺寸来定义模型的结构参数，如制动缸活塞直径与行程、阀芯直径、阀杆直径、阀座孔尺寸和弹簧刚度等，部分参数见表1。

此外对阀门的零位开口度、泄漏、节流系数等参数进行详细设置，以精确反映气动阀的性能。

表1单元制动器、制动管仿真模型参数

   列车编组形式为：

+Tc-M-T-M-M-Tc+，由于各种车型自重不同，因此对于不同车型制动系统的某些性能参数设置也稍有不同。

本文以拖车（Tc）的制动系统为例进行仿真分析。

     1.4系统仿真模型

   根据制动系统的实际参数，基于AMESim将各子模型系统连接起来，得到完整的制动系统仿真模型，如图2所示。

模型中通往8个单元制动器的制动管按照实际管路进行配置，多数为Φ18×1500。

常用制动、紧急制动、缓解等控制信号通过信号控制模块加载。

空气弹簧压力按照定压源设置。

图2制动系统仿真模型

2仿真分析

   针对拖车的制动系统进行分析。

    2.1常用制动

   工况描述：

0秒发出常用制动指令，制动级别7（制动缸压力260kPa），空簧压力234kPa。

（1）单元制动器压力和BCU控制压力

   接到制动指令后，BCU的控制压力经过0.4秒的延时后稳定在260±6kPa，在上升过程中有约±10kPa左右幅度的振荡，如图3所示；单元制动器跟随BCU控制压力上升，经过约0.5秒的滞后，气缸压力基本稳定在260±3kPa。

图3BCU控制压力和单元制动器压力

图4不同位置的单元制动器压力

   每节车的单元制动器4个为一组，分布排列在车辆的前部和后部。

在7级常用制动下前部单元制动器与后部单元制动器制动压力变化如图4所示，两者变化趋势一致，差值的最大值为7kPa左右。

（2）制动管路总质量流量

   供给单元制动器的制动管的总质量流量在初始充气加压过程中先增加后减少，最大值约为138g/s，在约0.5秒后在零线附近来回振荡，如图5所示，这是由中继阀充气阀口周期性开关引起的。

图5制动管制动管路质量流量

    （3）单元制动器输出力

   在该制动级别下，根据制动器放大倍率及机械效率，可以计算得到制动缸输出力约为16.5kN，如图6所示。

制动器输出力在0.12s时开始上升，在0.4s时达到稳定值，符合设计要求。

图6单元制动器输出力

    （4）空电转换阀工作特性

   充、排气电磁阀的开度变化如图7所示，在初始制动阶段，充气阀完全打开，而排气阀则完全关闭。

在达到稳态阶段时，两个阀交替开关，以稳定BCU的控制压力，这使得空电转换阀的预控压力在255～288kPa之间交替变化，如图8所示。

图7空电转换阀的充、排气电磁阀开度变化

图8空电转换阀预控压力

    2.2常用制动缓解

   工况描述：

7级常用制动持续2秒时发出缓解指令，其它设置同2.1的工况。

   发出缓解指令经过约1.7秒延时后，单元制动器气缸压力完全缓解，空电转换阀预控压力和BCU控制压力如图9所示。

图9单元制动器压力、BCU控制压力和空电转换阀预控压力

    2.3紧急制动

   工况描述：

0秒发出紧急制动指令，空簧压力234kPa。

   紧急制动指令发出后，制动器压力迅速增大，如图10所示，经过约0.3秒达到稳定值293kPa。

BCU控制压力在初始迅速增大到620kPa，随后迅速下降至293kPa左右小幅振荡，最后慢慢稳定下来。

空电转换阀预控压力基本维持为0。

紧急制动时单元制动器输出力在0.06s时开始上升，在0.34s时达到稳定值18.5kN，符合设计要求，如图11所示。

图10单元制动器气缸、BCU和空电转换阀压力

图11紧急制动时单元制动器输出力

    2.4紧急制动缓解

   工况描述：

紧急制动后第2秒发出紧急制动缓解指令，其它设置同上，空簧压力234kPa。

   如图12所示，紧急制动缓解指令发出后，单元制动器和BCU控制压力有10kPa左右的增幅，0.75秒后开始下降，经过1.9秒制动基本缓解，缸压为8kPa左右，经过2.5秒，制动完全缓解，气缸压力下降到0kPa。

EP阀预控压力在制动缓解初期阶跃到580kPa，随后迅速下降为0kPa。

图12单元制动器气缸压力、BCU控制压力和空电转换阀预控压力

 2.5设计参数影响分析

   不可避免的，中继阀活塞运动时和导向套之间存在摩擦力，分别考虑1N（理想）和200N（较大摩擦）两种情况，常用7级制动下，单元制动器气缸压力变化如图13所示，分析发现，增大摩擦对缸压变化影响不大，摩擦越大，压力响应反而稍快。

此外，摩擦力越大，BCU控制压力的波动越小，如图14所示，在一定范围内，增加阻尼有利于提高相应速度和稳定性。

图13单元制动器气缸压力

图14BCU控制压力

3结论

   通过对该制动系统的建模与仿真分析，得到如下结论：

（1）该制动系统设计的结构参数合理，使制动系统对制动指令响应时间短，控制灵敏度高，具有良好的制动性能。

（2）该制动系统能够实现制动缸压力的准确控制，精确度较高；制动输出力符合设计要求。

   （3）通过参数优化，如中继阀活塞摩擦力，可以评价某些关键设计参数对制动性能的影响，为系统结构参数优化和控制系统设计提供了理论依据。